CN112815834B - 一种光学定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学定位系统，包括图像采集模块、控制模块、六轴陀螺仪及数据显示模块；图像采集模块与数据显示模块分别与控制模块连接，六轴陀螺仪设置在控制模块上；图像采集模块，用于采集被测物的位置信息，并根据位置信息生成第一数据；六轴陀螺仪，用于实时采集光学定位系统的碰撞检测状态信息，并根据碰撞检测状态信息生成第二数据；控制模块，用于控制图像采集模块与六轴陀螺仪的运行，并将接收的第一数据、第二数据传输给数据显示模块进行显示。本发明提供的光学定位系统，能够快速判断出光学定位系统发生的振动并给予提醒，同时能够计算出改变后的位姿相对原位姿的旋转平移矩阵，得到准确的三维坐标数据，以辅助测量，方便操作。

Description

一种光学定位系统

技术领域

本发明涉及光学定位系统技术领域，尤其涉及一种光学定位系统。

背景技术

光学定位系统的工作原理是把检测到的被测物体三维坐标信息传给上位机，由上位机的后续处理进行三维坐标的显示和交互。这些三维坐标信息都是相对于光学定位系统的，因此，光学定位系统只有在保持不动的情况下，其测量的三维坐标信息才最准确。但是光学定位系统在测量时往往会发生微小的振动，而现有的光学定位系统无法及时的给予振动提醒，因此导致测试人员无法及时作出调整，进一步造成测量结果不精确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学定位系统，通过六轴陀螺仪及其输出数据，能够快速判断出光学定位系统是否存在振动，并给予提醒；同时，该系统能够计算出改变后的位姿相对原位姿的旋转平移矩阵，最终得到准确的三维坐标数据，以辅助测量，方便操作。

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明某一实施例提供了一种光学定位系统，包括：

图像采集模块、控制模块、六轴陀螺仪及数据显示模块；

所述图像采集模块与所述数据显示模块分别与所述控制模块连接，所述六轴陀螺仪设置在所述控制模块上；其中，

所述图像采集模块，用于采集被测物的位置信息，并根据所述位置信息生成第一数据；

所述六轴陀螺仪，用于实时采集所述光学定位系统的碰撞检测状态信息，并根据所述碰撞检测状态信息生成第二数据；

所述控制模块，用于控制所述图像采集模块与所述六轴陀螺仪的运行，并将接收的所述第一数据、所述第二数据传输给所述数据显示模块进行显示。

作为优选地，所述六轴陀螺仪，还用于，将当前测量的角速度与距离当前测量最小时间间隔测量的角速度值作差，得到角速度差值；当所述角速度差值大于第一预设阈值时，判定所述光学定位系统发生振动，其中，所述角速度为X、Y、Z三轴中的任意一轴上的角速度。

作为优选地，所述六轴陀螺仪，还用于，将当前测量的加速度与距离当前测量最小时间间隔测量的加速度值作差，得到加速度差值；当所述加速度差值大于第二预设阈值时，判定所述光学定位系统发生振动，其中，所述加速度为X、Y、Z三轴中的任意一轴上的加速度。

作为优选地，所述六轴陀螺仪，还用于，根据X、Y、Z三轴中存在任意一轴或多个轴方向上的角速度不为零时，判定所述光学定位系统发生振动。

作为优选地，所述六轴陀螺仪，还用于，获取其X、Y、Z三轴上的加速度数据及其自身的重力加速度，并将所述加速度数据及所述重力加速度用于计算所述光学定位系统的旋转平移矩阵。

相对于现有技术，本发明实施例的有益效果如下：本系统通过六轴陀螺仪及其输出数据，能够快速判断出光学定位系统是否存在振动，并给予提醒；同时，该系统能够计算出改变后的位姿相对原位姿的旋转平移矩阵，最终得到准确的三维坐标数据，以辅助测量，方便操作。

附图说明

图1是本发明某一实施例提供的光学定位系统的结构示意图；

图2是本发明某一实施例提供的六轴陀螺仪的结构示意图；

图3是本发明某一实施例提供的六轴陀螺仪的安装位置示意图；

图4是本发明某一实施例提供的光学定位系统转动θ角度后的位置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体地限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明某一实施例提供了一种光学定位系统10，包括：

图像采集模块1、控制模块、六轴陀螺仪3及数据显示模块4；

所述图像采集模块1与所述数据显示模块4分别与所述控制模块连接，所述六轴陀螺仪3设置在所述控制模块上；其中，

所述图像采集模块1，用于采集被测物的位置信息，并根据所述位置信息生成第一数据；

所述六轴陀螺仪3，用于实时采集所述光学定位系统的碰撞检测状态信息，并根据所述碰撞检测状态信息生成第二数据；

所述控制模块，用于控制所述图像采集模块1与所述六轴陀螺仪3的运行，并将接收的所述第一数据、所述第二数据传输给所述数据显示模块4进行显示。

需要说明的是，光学定位系统是一种测量标记物三维坐标的仪器，其在工业测量领域，医疗检测领域都有重要的应用。其中，光学定位系统，由两个已知位姿关系的相机以及相应的光源构成。被测标记物通过自主发光或反射来自定位系统发出的光，到两个相机中。光学定位系统通过计算得到被测标记物在两个相机中的二维坐标，然后，利用两个相机的相对位姿关系可以还原出被测标记物的三维坐标。此后，光学定位系统把获取到的被测标记物的三维坐标信息传给上位机，上位机得到数据后再做后续的处理。但是这些都是针对不发生振动的光学定位系统来说的，一旦测量中发生微小的振动，就会直接导致光学定位系统的当次检测不准确；此外，由于振动过于微小，测量者往往无法直接感受到，而光学定位系统也无法进行有效的提醒，这时就会操作测量数据的不准确。因此，在本实施例中提供的光学定位系统，具有振动检测和提醒功能，使得测量者及时掌握被测物的位置信息，并且对于自身姿态检测能给予精准的计算，以得到准确的三维坐标信息，提高结果的精度。

具体地，在本实施例中，图像采集模块1用于采集被测物的位置信息，并生成第一数据；一般来说，图像采集模块1包括关于装置中心对称的两个相机，而每个相机的视场范围则有各自的视场角决定，需要说明的是，在光学仪器中，以光学仪器镜头为顶点，以被测目标的物象可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角，称为视场角。视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，视场角越大，视野就越大。一般来说，视场角通常是指使用35mm胶片的135相机镜头的水平视角，40-60°的水平视角大约是35--50mm镜头的视角，而在摄影镜头里面通常把焦距在40至55毫米之间的摄影镜头，由于和人眼的视角和透视相近，因此也被称为标准镜头。

需要说明的是，陀螺仪，是一种用来感测与维持方向的装置，基于角动量不灭的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位于轴心可以旋转的轮子构成。陀螺仪一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪多用于导航、定位等系统。其中，陀螺仪包括三轴陀螺仪、六轴陀螺仪3九轴陀螺仪。六轴轴陀螺仪实际上指的是三轴加速器和三轴陀螺仪合在一起的整体，三轴加速器就是感应X、Y、Z(立体空间三个方向，前后左右上下)轴向上的加速，它是检测横向加速的，而三轴陀螺仪是检测角度旋转和平衡的，合在一起就实现了六轴传感器的功能，即可以获得三个轴方向上的角速度和加速度。而九轴感测组件是：三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计，然后欧拉角加四元数数据融合。

进一步地，本实施例中采用六轴陀螺仪3来实时获取设备X、Y、Z三个轴向的运动学数据，其中，六轴陀螺仪3位于光学定位系统的控制电路板上，且靠近电路板中央的位置，会跟随光学定位系统运动。如图2所示，六轴陀螺仪3上包含X、Y、Z轴3个方向的加速度传感器和以这3个方向为轴的角速度传感器，三个方向相互垂直，因此陀螺仪能分别获取这三个方向的加速度和角速度的数据，并根据这些数据来判断是否发生振动及计算位置改后前后的旋转平移矩阵，以得到准确的三维坐标。

本发明实施例通过六轴陀螺仪3及其输出数据，能够快速判断出光学定位系统是否存在振动，方便测量者掌握测量状态并及时作出调整。

在某一个示例性的实施例中，所述六轴陀螺仪3，还用于，将当前测量的角速度与距离当前测量最小时间间隔测量的角速度值作差，得到角速度差值；当所述角速度差值大于第一预设阈值时，判定所述光学定位系统发生振动，其中，所述角速度为X、Y、Z三轴中的任意一轴上的角速度。

进一步地，将当前测量的加速度与距离当前测量最小时间间隔测量的加速度值作差，得到加速度差值；当所述加速度差值大于第二预设阈值时，判定所述光学定位系统发生振动，其中，所述加速度为X、Y、Z三轴中的任意一轴上的加速度。

可以理解的是，在本实施例中，可以把当次检测到的三个方向的加速度数据及角速度数据与上一次的比较，在振动，每次检测到加速度数据和角速度速度，都会存在差异，只要某一数据的变化量达到一个设定好的阈值，即可认为光学定位系统存在振动，这个情况下获取到的三维坐标数据可能不准确。

在某一个示例性的实施例中，所述六轴陀螺仪3，还用于根据X、Y、Z三轴中存在任意一轴或多个轴方向上的角速度不为零时，判定所述光学定位系统发生振动。

可以理解的是，当光学定位系统静止时，三个方向上的加速度(ax，ay，az)所合成出来的总加速度(axyz)与重力加速度g相等，即axyz2＝ax2+ay2+az2＝g2；此时围绕这三个方向上的角速度的值为0；当光学定位系统发生振动时，三个方向上的加速度合成的总加速度就会出现与重力加速度不相等的情况。但考虑到方向的问题，即axyz可能与g的值相同，但方向不一致的情况，这种情况下，光学定位系统也发生了运动，但单纯通过总加速度的大小无法进行判断。此时，可以加入围绕x，y，z三个方向角速度数据进行判断，当某一个或多个角速度的值不为0时，亦可认为光学定位系统发生了振动。

在某一个示例性的实施例中，所述六轴陀螺仪3，还用于根据其X、Y、Z三轴上所有的加速度数据及自身的重力加速度，得到所述光学定位系统的旋转平移矩阵。

可以理解的是，光学定位系统还能把陀螺仪检测到的数据对外输出，用户可以利用这些数据进行更深入的研究。本方案还提供一种利用陀螺仪输出的数据结合具体的结构得到光学定位系统位姿变化的方法。如图3所示，光学定位系统固定于一个可以上下转动的固定架上，固定架的一端固定于墙壁，则光学定位系统发生运动时，只能围绕固定架的转轴运动。当系运动到新的位置后，只需要根据陀螺仪输出的X、Y、Z这3个方向的加速度数据，与重力加速度的数据进行比较即可计算出其姿态的，运动前后的姿态对比即可得到运动前后，系统的旋转平移矩阵。这样，系统运动前后得到的被测物三维坐标数据就可以转换到同一坐标系下，得到准确的三维坐标数据。

具体地，如图4所示，光学定位系统从如图3所示的水平位置转动了θ角度，此时，反映在陀螺仪上的数据输出为gx，gy，gz，其中gy＝0，gz＝gcos(θ)，gx＝gsin(θ)，根据以上公式，基本可以算出θ的角度，另外，由于结构的限制，光学定位系统与转轴的距离是恒定的，这样，根据转动的角度θ及光学定位系统到转轴的距离，即可轻易得到系统相对于水平位置时的旋转平移矩阵，从而就能把采集到的被测物三维坐标数据转换到同一坐标系下。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种光学定位系统，其特征在于，包括：

图像采集模块、控制模块、六轴陀螺仪及数据显示模块；

所述图像采集模块与所述数据显示模块分别与所述控制模块连接，所述六轴陀螺仪设置在所述控制模块上；其中，

所述图像采集模块，用于采集被测物的位置信息，并根据所述位置信息生成第一数据；

所述六轴陀螺仪，用于实时采集所述光学定位系统的碰撞检测状态信息，并根据所述碰撞检测状态信息生成第二数据；还用于，根据X、Y、Z三轴中存在任意一轴或多个轴方向上的角速度不为零时，判定所述光学定位系统发生振动；还用于，将当前测量的角速度与距离当前测量最小时间间隔测量的角速度值作差，得到角速度差值；当所述角速度差值大于第一预设阈值时，判定所述光学定位系统发生振动，其中，所述角速度为X、Y、Z三轴中的任意一轴上的角速度；还用于，将当前测量的加速度与距离当前测量最小时间间隔测量的加速度值作差，得到加速度差值；当所述加速度差值大于第二预设阈值时，判定所述光学定位系统发生振动，其中，所述加速度为X、Y、Z三轴中的任意一轴上的加速度；还用于根据获取的角速度数据和加速度数据计算系统位置改变前后的旋转平移矩阵，以得到三维坐标；

所述控制模块，用于控制所述图像采集模块与所述六轴陀螺仪的运行，并将接收的所述第一数据、所述第二数据传输给所述数据显示模块进行显示。

2.根据权利要求1所述的光学定位系统，其特征在于，所述六轴陀螺仪，还用于，获取其X、Y、Z三轴上的加速度数据及其自身的重力加速度，并将所述加速度数据及所述重力加速度用于计算所述光学定位系统的旋转平移矩阵。

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